[发明专利]常态关闭的氮化镓场效应管

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种半导体功率器件的结构和制备方法。更确切地说，本发明涉及一种用新型器件结构和制备方法制成的基于氮化镓(GaN)的场效应管，该常态关闭的基于GaN的场效应管在传导大电流时，具有极低的导通电阻。

背景技术

配置与制备基于氮化镓(GaN)的场效应管(FET)的传统方法，仍然受到提供具有简便的制备和操作配置的常态关闭FET晶体管等技术问题的挑战。更确切地说，配置基于氮化镓(GaN)的FET，以制备高电子迁移率晶体管(HEMT)。对于功率晶体管器件，这种类型的晶体管可以取代一些现在常见地广泛使用的基于硅的半导体，带有功率金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管的功率器件。与基于硅的MOS-FET(或MOSFET)半导体功率器件相比，基于GaN的晶体管利用宽带隙的半导体材料特性，能够进一步降低导通电阻，并获得更高的击穿电压。另外，相对于基于硅的MOSFET器件的性能，这种高电子迁移率晶体管还能够提供高速转换以及高灵敏度操作。

获得高电子迁移率的基本原则是，结合两种带有不同带隙的不同半导体材料。在界面处生成一个二维电子气(2DEG)层，作为一个由在该电子气层中的一个电子流组成的电流通路。图1表示一个典型的示例，在氮化镓(GaN)层上方外延生长氮化铝镓(AlGaN)。凭借这两种材料不同的带隙，会在这两种半导体材料之间的边界处产生一个二维电子气层(2DEG)，称为AlGaN/GaN异质结。典型的AlGaN/GaN异质结结构位于蓝宝石等绝缘衬底上。该晶体管还包括一个源极电极S和一个漏极电极D，位于栅极电极G的两个对边上，栅极电极G形成在AlGaN层上，AlGaN层在源极电极S和漏极电极D之间延伸。

AlGaN层作为电子供应层，给未掺杂的GaN层中的2DEG提供电子，当栅极没有加载控制电压时，电子气层中的电子在源极电极和漏极电极之间传输。除非栅极上加载的电压夹断源极和漏极电极之间的电流，否则如图1所示的高电子迁移率晶体管(HEMT)结构就在常开模式下工作。为了关闭晶体管，要求在栅极上连续加载夹断电压，会导致额外的功率损耗，有时还会为了电子器件中使用这种晶体管，引起更复杂的器件控制过程。此外，大多数的应用都是为了常态关闭晶体管设计的，因此这种器件并不适合那些应用。基于上述原因，有必要提出制备基于GaN的晶体管的新型改良结构，使这种器件无需在栅极加载夹断电压，就能常态关闭。

为了获得很低的RdsA电阻(漏极至源极电阻*面积)，大多数的AlGaN/GaN异质结场效应管(HFET)都是作为耗尽型金属-半导体FET(MESFET)。已经有人提出了增强型MESFET器件，其阈值电压Vth在0.3至0.7伏之间。但是，这种类型的晶体管无法用10至15伏传统的栅极电压驱动。而且，已经尝试了各种方式，利用氮化硅(Si₃N₄)、二氧化硅(SiO₂)和氧化钆(Gd₂O₃)等不同的栅介质，在一个p-GaN层上制造增强型金属绝缘体半导体FET(MISFET)。然而，当对器件加载偏压使其击穿时，这种器件都受到低反转迁移率和氧化物中高电场的不利影响，从而引起器件的可靠性问题。为了解决此问题，我们增加了氧化层的厚度，但这会降低跨导，并导致不必要的较高的RdsA。

基于上述原因，迫切需要在不干扰二维电子气(2DEG)层的电导的前提下，改善RdsA很低的器件结构。同时，无需在栅极加载电压，使器件就可以作为一个常态关闭器件，从而解决上述困难和局限。

发明内容

本发明的目的是提出一种新的改良器件结构和制备方法，这种异质结场效应管(HFET)功率器件，可以通过简便的制备和操作过程，将HFET器件制成常态关闭器件，从而解决上述现有技术中的困难和局限。

更确切地说，本发明的一个方面在于提出改良型器件结构，以及制备半导体基于GaN的HFET功率器件的方法，该器件带有负电荷的浮栅，当栅极没有加载电压时，使通道耗尽。制备带负电荷的浮栅，可以通过与在闪存中制备浮栅的工艺类似的方法，这是一种成熟的普遍方法。加载栅极电压，以抵消带负电荷的浮栅，恢复形成在GaN和AlGaN层之间的异质结上的2DEG通道。